CN108387195B - 一种用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法，用以解决能对常压换刀装置中刀具的滚刀进行磨损量监测的问题；在滚刀刀圈上均匀安置4颗磁铁，在滚刀的正下方设置转速传感器；在滚刀刀刃的正下方设置磨损传感器；磨损传感器测定滚刀刀刃表面距传感器表面的初始安装距离；根据磨损传感器的实时测量信号和标定曲线，通过磨损传感器直接测量磨损传感器表面距离刀刃表面的距离，得到滚刀的刀圈磨损值；根据一组16个刀圈磨损值利用最小二乘法拟合出一条光滑的刀圈轮廓曲线。本发明实现了刀盘上所有滚刀磨损量和转速的可视化管理，帮助盾构司机判断刀盘刀具是否需要更换或维修，更好地修正掘进参数提高掘进效率，提高了掘进效率。

Description

一种用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法
技术领域
本发明涉及刀具检测的技术领域，尤其涉及一种用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法。
背景技术
随着城市建设、道路交通、调水工程对隧道工程建设的需求提升，作为隧道工程开挖利器的盾构机也日益得到广泛使用。刀盘和刀具在掘进过程中必然会遭到程度各异的磨损。刀具磨损程度的大小对工程质量和掘进进度都有很大的影响。刀具转速不一也是刀具磨损和偏损的重要原因。因此，在盾构机掘进过程中，对刀具运行状态的监测成为高效掘进中的重要一环。
盾构机在掘进过程中，掘进仓会存在很大的压力。为了防止带压换刀对操作人员造成伤害，国内外越来越多的盾构采用了常压换刀装置。而在常压换刀装置中，对于刀具的状态监测又是保证盾构掘进效率、防止刀具异常损坏的重要手段。
发明内容
针对不能对常压换刀装置中刀具进行状态监测的技术问题，本发明提出一种用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法，可以帮助司机更好地修正掘进参数提高掘进效率，降低了人力消耗和作业风险，也可以提高掘进效率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法，其步骤如下：
步骤一：在滚刀刀圈上均匀安置4颗磁铁，在滚刀的正下方设置转速传感器，转速传感器通过结构件固定在滚刀的刀座上；在滚刀刀刃的正下方设置磨损传感器，磨损传感器的感应面与滚刀刀刃相对；
步骤二：在新滚刀安装后未使用时，磨损传感器测定滚刀刀刃表面距传感器表面的初始安装距离为d0；
步骤三：转速传感器通过与磁铁相作用测量滚刀的实际转速，4颗磁铁将滚刀刀圈均匀分隔为四个象限，根据滚刀当前实际转速，计算滚刀旋转1/4周所用时间；
步骤四：在滚刀使用过程中，根据磨损传感器的实时测量信号和标定曲线，在滚刀旋转1/4周时间内，通过磨损传感器直接测量磨损传感器表面距离刀刃表面的距离d1，则滚刀的刀圈磨损值为：Δ= d1 - d0；滚刀旋转一周共测量16个刀圈磨损值；
步骤五：根据滚刀一周16个位置的刀圈磨损值，运用三阶贝塞尔曲线拟合出一条光滑的刀圈轮廓曲线：
B（t）=（1-t）3P0+3t（1-t）2P1+3t2（1-t）P2+t3P3,t∈[0,1]
其中P0和P3是16个刀圈轮廓磨损测量点中相邻的两个，P1，P2是拟合过程中的两个控制点，最终获得滚刀轮廓磨损曲线B（t）。
所述标定曲线的获取方法为：将磨损传感器和滚刀固定，且磨损传感器的探测面正对于滚刀刀刃；控制磨损传感器探测面与刀刃的距离D以1mm为间隔变化单位从0mm逐渐变化到40mm，测定并记录磨损传感模块的输出电流I A ；将所采集的输出电流I A 和距离D一一对应，相邻两个测量点之间以直线相连，得到距离D和输出电流I A 的线性标定曲线，即是磨损传感器表面距离刀刃表面的距离与磨损传感器实时测量信号的标定曲线。
所述转速传感器设置在旋转检测装置中，磨损传感器设置在磨损温度综合检测装置，旋转检测装置固定在滚刀的刀座上，磨损温度综合检测装置通过法兰盘固定在端盖的上部的高压仓侧；所述旋转检测装置和磨损温度综合检测装置分别通过两个不同的高低压转接模块与数据发送装置相连接，数据发送装置与数据接收装置无线连接，数据接收装置与监控显示装置相连接；两个高低压转接模块均固定在端盖下部的低压侧。
所述旋转检测装置和高低压转接模块之间连接的信号线设置在防护液压管和端盖上的预留孔中；磨损温度综合检测装置内的磨损传感器通过信号线与高低压转接模块相连接；高低压转接模块通过设置在防护液压管内的信号线与数据发送装置相连接。
所述旋转检测装置包括磁铁、转速传感器和弓形的第二传感器载体，磁铁包括四个，磁铁1均匀设置在双侧滚刀侧面的刀毂上；转速传感器的数量设有两个，转速传感器分别设置在第二传感器载体的上部，转速传感器的位置与磁铁的位置上下对应。
所述第二传感器载体通过螺栓固定在刀座中心梁上；第二传感器载体下部通过密封垫与连接法兰相连接，连接法兰与防护液压管相连接。
所述磨损温度综合检测装置包括磨损传感器和温度传感器，磨损传感器和温度传感器固定在第一传感器载体上，前端防护端盖设置在磨损传感器的上方，磨损传感器与滚刀的刀刃相对；所述第一传感器载体下部通过安装螺栓与安装法兰相连接，安装法兰固定在端盖上部的高压仓侧。
所述磨损传感器通过固定螺母固定在第一传感器载体的中部，温度传感器设置在第一传感器载体上未贯通的预留孔中；所述第一传感器载体上部通过防护端盖密封圈与前端防护端盖相连接，第一传感器载体的下部与安装法兰之间设有载体密封圈。
所述高低压转接模块包括承压电连接器，承压电连接器前端设有凸出的传感器电缆插头，承压电连接器中部设有玻璃烧结连接芯，玻璃烧结连接芯通过端面密封圈与转接板相连接，转接板前端通过转接板密封圈与安装底板端盖相连接，转接板后端与出线块相卡接；玻璃烧结连接芯通过轴向密封圈与安装底板端盖相连接，出线块通过出线块密封圈与承压电连接器相连接。
所述安装法兰中部设有矩形的空间，与磨损温度综合检测装置相连接的高低压转接模块的前端的传感器电缆插头设置在安装法兰内，电缆插头分别与磨损传感器和温度传感器相连接。
所述数据发送装置包括发送结构保护壳、发送电源模块、发送控制单元模块，发送控制单元模块与电源模块相连接；发送结构保护壳包括电源槽和控制单元槽，发送电源模块放置于电源槽中，发送控制单元模块放置于控制单元槽中；数据发送装置实现滚刀检测装置中传感器的供电、传感器信号采集及处理、数据及指令的无线收发。
所述数据接收装置包括接收控制单元模块、接收电源模块、接收结构保护壳和串口模块，接收电源模块和串口模块均与接收控制单元模块相连接，接收控制单元模块、接收电源模块和串口模块设置在接收结构保护壳；监控显示装置包括监控计算机和显示屏，监控计算机与显示屏相连接；数据接收装置通过串口模块将采集的信息上传给监控计算机，监控计算机将采集到的信息处理之后，判断滚刀的运行状态和磨损量，并将刀具运行状态和磨损量显示在显示屏上，供操作员判断。
本发明的有益效果：充分考虑了常压刀盘设备在掘进过程中换刀频率高的特点，整个装置在拆刀、换刀和装刀过程中实现快速拆装，实时监控刀具状态，为操作者提供可靠的换刀依据；在保证压力的情况下，通过高低压仓转接模块实现了高低压仓之间信号线的连接。本发明实现了刀盘上所有滚刀磨损量和转速的可视化管理，同时帮助盾构司机判断刀盘刀具是否需要更换或维修。本发明也可以帮助司机更好地修正掘进参数提高掘进效率。由此可知，本发明帮助降低了人力消耗和作业风险，也可以提高掘进效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中刀筒内的装配图。
图3为本发明磨损温度综合检测装置的结构示意图。
图4为本发明旋转检测装置的结构示意图。
图5为本发明高低压转接模块的结构示意图。
图中，1-磁铁；2-滚刀；3-旋转检测装置；4-磨损温度综合检测装置；5-高低压转接模块；6-刀筒；7-防护液压管；8-端盖；9-传感器电缆插头；10-安装底板端盖；11-玻璃烧结连接芯；12-转接板；13-出线块；14-轴向密封圈；15-转接板密封圈；16-端面密封圈；17-出线块密封圈；18-安装法兰；19-安装螺栓；20-第一传感器载体；21-前端防护端盖；22-磨损传感器；23-防护端盖密封圈；24-固定螺母；25-温度传感器；26-载体密封圈；27-转速传感器；28-第二传感器载体；29-密封垫；30-连接法兰，31为承压电连接器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法，其步骤如下：
步骤一：在滚刀刀圈上均匀安置4颗磁铁，在滚刀的正下方设置转速传感器，转速传感器通过结构件固定在滚刀的刀座上；在滚刀刀刃的正下方设置磨损传感器，磨损传感器的感应面与滚刀刀刃相对。
步骤二：在新滚刀安装后未使用时，磨损传感器测定滚刀刀刃表面距传感器表面的初始安装距离为d0。
安装过程中必然会产生装配误差，即磨损传感器的探测面到滚刀刀刃的距离和设计距离有一定的偏差。因此，在整个刀盘安装完毕之后，在正式掘进之前，要测定一次磨损传感模块探测面和刀刃的初始距离d0并记录，则滚刀刀刃磨损量Δ= d1 - d0，磨损传感器直接测量的磨损传感器表面距离刀刃表面的距离d1。
步骤三：转速传感器通过与磁铁相作用测量滚刀的实际转速，4颗磁铁将滚刀刀圈均匀分隔为四个象限，根据滚刀当前实际转速，计算滚刀旋转1/4周所用时间。
步骤四：在滚刀使用过程中，根据磨损传感器的实时测量信号和标定曲线，在滚刀旋转1/4周时间内，通过磨损传感器直接测量磨损传感器表面距离刀刃表面的距离d1，则滚刀的刀圈磨损值为：Δ= d1 - d0；滚刀旋转一周共测量16个刀圈磨损值。
标定曲线的获取方法为：将磨损传感器和滚刀固定，且磨损传感器的探测面正对于滚刀刀刃；控制磨损传感器探测面与刀刃的距离D以1mm为间隔变化单位从0mm逐渐变化到40mm，测定并记录磨损传感模块的输出电流I A ；将所采集的输出电流I A 和距离D一一对应，相邻两个测量点之间以直线相连，得到距离D和输出电流I A 的线性标定曲线，即是磨损传感器表面距离刀刃表面的距离与磨损传感器实时测量信号的标定曲线。
步骤五：根据滚刀一周16个位置的刀圈磨损值，运用贝塞尔曲线，拟合出一条光滑的刀圈轮廓曲线，三阶贝塞尔曲线公示如下：
B（t）=（1-t）3P0+3t（1-t）2P1+3t2（1-t）P2+t3P3,t∈[0,1]
其中P0和P3是16个刀圈轮廓磨损测量点中相邻的两个，P1和P2是拟合过程中的两个控制点，最终获得滚刀轮廓磨损曲线B（t）。
滚刀2固定于刀座之上，刀座和双刃滚刀整体固定于刀筒6之中，端盖8固定于刀筒6的顶端。转速传感器设置在旋转检测装置3中，磨损传感器设置在磨损温度综合检测装置4，旋转检测装置3固定在滚刀的刀座上，磨损温度综合检测装置4通过法兰盘固定在端盖8的上部的高压仓侧；所述旋转检测装置3和磨损温度综合检测装置4分别通过两个不同的高低压转接模块5与数据发送装置相连接，数据发送装置与数据接收装置无线连接，数据接收装置与监控显示装置相连接，如图1和图2所示。两个高低压转接模块5均固定在端盖8下部的低压侧，两个高低压转接模块5均通过信号线与数据发送装置相连接。
旋转检测装置3和高低压转接模块5之间连接的信号线设置在防护液压管7和端盖8上的预留孔中；磨损温度综合检测装置4内的磨损传感器通过信号线与高低压转接模块5相连接；高低压转接模块5通过设置在防护液压管7内的信号线与数据发送装置相连接。
旋转检测装置3包括磁铁1、转速传感器27和弓形的第二传感器载体28，磁铁1包括四个，磁铁1均匀设置在双侧滚刀侧面的刀毂上。如图4所示，转速传感器27的数量设有两个，转速传感器27分别设置在第二传感器载体28的上部，转速传感器放置在弓形的第二传感器载体28未贯通的预留孔中。转速传感器27的位置与磁铁1的位置上下对应。第二传感器载体28通过螺栓固定在刀座中心梁上；第二传感器载体28下部通过密封垫29与连接法兰30相连接，连接法兰30与防护液压管7相连接。转速传感器27的信号线从连接转速传感器27和端盖8的防护液压管7中穿过，并穿过端盖8的预留孔与高低压转接模块5相连接。
如图3所示，磨损温度综合检测装置4包括磨损传感器22和温度传感器25，磨损传感器22和温度传感器25固定在第一传感器载体20上，前端防护端盖21设置在磨损传感器22的上方，磨损传感器22的感应面正好与滚刀的刀刃相对。所述第一传感器载体20下部通过安装螺栓19与安装法兰18相连接，安装法兰18固定在端盖8上部的高压仓侧。
磨损传感器22通过固定螺母24固定在第一传感器载体20的中部，温度传感器25设置在第一传感器载体20上未贯通的预留孔中。所述第一传感器载体20上部通过防护端盖密封圈23与前端防护端盖21相连接，第一传感器载体20的下部与安装法兰18之间设有载体密封圈26。磨损传感器22的信号线直接从端盖背面的预留口穿过与高低压仓转接模块5相连接。
如图5所示，高低压转接模块5包括承压电连接器31，承压电连接器31为双向承压电连接器。承压电连接器31前端设有凸出的传感器电缆插头9，承压电连接器31中部设有玻璃烧结连接芯11，玻璃烧结连接芯11通过端面密封圈16与转接板12相连接，转接板12前端通过转接板密封圈15与安装底板端盖10相连接，转接板12后端与出线块13相卡接，出线块13用于将承压电连接器31的信号线伸出。玻璃烧结连接芯11通过轴向密封圈14与安装底板端盖10相连接，出线块13通过出线块密封圈17与承压电连接器31相连接。与旋转检测装置3相连接的高低压转接模块5的前端的传感器电缆插头9设置在端盖8的预留孔内。安装法兰18中部设有矩形的空间，与磨损温度综合检测装置4相连接的高低压转接模块5的前端的传感器电缆插头9设置在安装法兰18内，并与磨损传感器22和温度传感器25相连接。
高低压转接模块在保证压力的情况下，实现了高低压仓之间信号线的连接。承压电连接器的主要作用：1、连接刀筒内部的各传感器和刀筒外部的数据发射模块；2、由于刀筒内部具有一定的压力，起到承压密封的作用。承压电连接器通过特殊的工艺和结构设计，能够实现在恶劣工况下承压2MPa，避免刀筒内高压液体通过连接器安装孔喷出伤人。
数据发送装置包括发送结构保护壳、发送电源模块、发送控制单元模块，发送控制单元模块与电源模块相连接；发送结构保护壳包括电源槽和控制单元槽，发送电源模块放置于电源槽中，发送控制单元模块放置于控制单元槽中；数据发送装置实现滚刀检测装置中传感器的供电、传感器信号采集及处理、数据及指令的无线收发。
数据接收装置包括接收控制单元模块、接收电源模块、接收结构保护壳和串口模块，接收电源模块和串口模块均与接收控制单元模块相连接，接收控制单元模块、接收电源模块和串口模块设置在接收结构保护壳；监控显示装置包括监控计算机和显示屏，监控计算机与显示屏相连接；数据接收装置通过串口模块将采集的信息上传给监控计算机，监控计算机将采集到的信息处理之后，判断滚刀的运行状态，包括转速、温度和磨损量，并将刀具运行状态显示在显示屏上，供操作员判断。本发明实现了刀盘上所有滚刀磨损量和转速得可视化管理，同时帮助盾构司机判断刀盘刀具是否需要更换或维修，可以帮助司机更好地修正掘进参数提高掘进效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一：在滚刀刀圈上均匀安置4颗磁铁，在滚刀的正下方设置转速传感器，转速传感器通过结构件固定在滚刀的刀座上；在滚刀刀刃的正下方设置磨损传感器，磨损传感器的感应面与滚刀刀刃相对；
步骤二：在新滚刀安装后未使用时，磨损传感器测定滚刀刀刃表面距传感器表面的初始安装距离为d0；
步骤三：转速传感器通过与磁铁相作用测量滚刀的实际转速，4颗磁铁将滚刀刀圈均匀分隔为四个象限，根据滚刀当前实际转速，计算滚刀旋转1/4周所用时间；
步骤四：在滚刀使用过程中，根据磨损传感器的实时测量信号和标定曲线，在滚刀旋转1/4周时间内，通过磨损传感器直接测量磨损传感器表面距离刀刃表面的距离d1，则滚刀的刀圈磨损值为：Δ= d1 - d0；滚刀旋转一周共测量16个刀圈磨损值；
步骤五：根据滚刀一周16个位置的刀圈磨损值，运用三阶贝塞尔曲线拟合出一条光滑的刀圈轮廓曲线：
B（t）=（1-t）3P0+3t（1-t）2P1+3t2（1-t）P2+t3P3， t∈[0,1]
其中，P0和P3是16个刀圈轮廓磨损测量点中相邻的两个，P1和P2是拟合过程中的两个控制点，最终获得滚刀轮廓磨损曲线B（t）；
所述转速传感器设置在旋转检测装置（3）中，磨损传感器设置在磨损温度综合检测装置（4），旋转检测装置（3）固定在滚刀的刀座上，磨损温度综合检测装置（4）通过法兰盘固定在端盖（8）的上部的高压仓侧；所述旋转检测装置（3）和磨损温度综合检测装置（4）分别通过两个不同的高低压转接模块（5）与数据发送装置相连接，数据发送装置与数据接收装置无线连接，数据接收装置与监控显示装置相连接；两个高低压转接模块（5）均固定在端盖（8）下部的低压侧；
所述旋转检测装置（3）包括磁铁（1）、转速传感器（27）和弓形的第二传感器载体（28），磁铁（1）包括四个，磁铁（1）均匀设置在双侧滚刀侧面的刀毂上；转速传感器（27）的数量设有两个，转速传感器（27）分别设置在第二传感器载体（28）的上部，转速传感器（27）的位置与磁铁（1）的位置上下对应；
所述磨损温度综合检测装置（4）包括磨损传感器（22）和温度传感器（25），磨损传感器（22）和温度传感器（25）固定在第一传感器载体（20）上，前端防护端盖（21）设置在磨损传感器（22）的上方，磨损传感器（22）与滚刀的刀刃相对。
2.根据权利要求1所述的用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法，其特征在于，所述标定曲线的获取方法为：将磨损传感器和滚刀固定，且磨损传感器的探测面正对于滚刀刀刃；控制磨损传感器探测面与刀刃的距离D以1mm为间隔变化单位从0mm逐渐变化到40mm，测定并记录磨损传感模块的输出电流I A ；将所采集的输出电流I A 和距离D一一对应，相邻两个测量点之间以直线相连，得到距离D和输出电流I A 的线性标定曲线，即是磨损传感器表面距离刀刃表面的距离与磨损传感器实时测量信号的标定曲线。
3.根据权利要求1所述的用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法，其特征在于，所述旋转检测装置（3）和高低压转接模块（5）之间连接的信号线设置在防护液压管（7）和端盖（8）上的预留孔中；磨损温度综合检测装置（4）内的磨损传感器通过信号线与高低压转接模块（5）相连接；高低压转接模块（5）通过设置在防护液压管（7）内的信号线与数据发送装置相连接。
4.根据权利要求1所述的用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法，其特征在于，所述第二传感器载体（28）通过螺栓固定在刀座中心梁上；第二传感器载体（28）下部通过密封垫（29）与连接法兰（30）相连接，连接法兰（30）与防护液压管（7）相连接。
5.根据权利要求1所述的用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法，其特征在于，所述第一传感器载体（20）下部通过安装螺栓（19）与安装法兰（18）相连接，安装法兰（18）固定在端盖（8）上部的高压仓侧。
6.根据权利要求5所述的用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法，其特征在于，所述磨损传感器（22）通过固定螺母（24）固定在第一传感器载体（20）的中部，温度传感器（25）设置在第一传感器载体（20）上未贯通的预留孔中；所述第一传感器载体（20）上部通过防护端盖密封圈（23）与前端防护端盖（21）相连接，第一传感器载体（20）的下部与安装法兰（18）之间设有载体密封圈（26）。
7.根据权利要求2所述的用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法，其特征在于，所述高低压转接模块（5）包括承压电连接器（31），承压电连接器（31）前端设有凸出的传感器电缆插头（9），承压电连接器（31）中部设有玻璃烧结连接芯（11），玻璃烧结连接芯（11）通过端面密封圈（16）与转接板（12）相连接，转接板（12）前端通过转接板密封圈（15）与安装底板端盖（10）相连接，转接板（12）后端与出线块（13）相卡接；玻璃烧结连接芯（11）通过轴向密封圈（14）与安装底板端盖（10）相连接，出线块（13）通过出线块密封圈（17）与承压电连接器（31）相连接。
8.根据权利要求5所述的用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法，其特征在于，所述安装法兰（18）中部设有矩形的空间，与磨损温度综合检测装置（4）相连接的高低压转接模块（5）的前端的传感器电缆插头（9）设置在安装法兰（18）内，传感器电缆插头（9）分别与磨损传感器（22）和温度传感器（25）相连接。
9.根据权利要求2所述的用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法，其特征在于，所述数据发送装置包括发送结构保护壳、发送电源模块、发送控制单元模块，发送控制单元模块与电源模块相连接；发送结构保护壳包括电源槽和控制单元槽，发送电源模块放置于电源槽中，发送控制单元模块放置于控制单元槽中；数据发送装置实现滚刀检测装置中传感器的供电、传感器信号采集及处理、数据及指令的无线收发。
10.根据权利要求2所述的用于常压换刀刀具的滚刀磨损量测定方法，其特征在于，所述数据接收装置包括接收控制单元模块、接收电源模块、接收结构保护壳和串口模块，接收电源模块和串口模块均与接收控制单元模块相连接，接收控制单元模块、接收电源模块和串口模块设置在接收结构保护壳；监控显示装置包括监控计算机和显示屏，监控计算机与显示屏相连接；数据接收装置通过串口模块将采集的信息上传给监控计算机，监控计算机将采集到的信息处理之后，判断滚刀的运行状态和磨损量，并将刀具运行状态和磨损量显示在显示屏上，供操作员判断。
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